KR100916354B1 - 터빈날개 및 이를 이용한 터빈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 별도의 장치를 부가하지 않고 터빈날개에서 발생되는 유동의 박리를 억제하거나 제거할 수 있고, 전단에서의 유동의 급격한 변화를 최소화할 수 있도록, 유체의 유입방향에 대해 전단에 형성되는 유입홀과, 측면에 형성되어 상기 유입홀과 연통되는 유출홀을 포함하는 터빈날개와 이를 이용한 터빈을 제공한다.

터빈날개, 압력면, 흡입면, 유입홀, 유출홀, 관로

Description

터빈날개 및 이를 이용한 터빈{TURBINE BLADE AND TURBINE USING IT}

본 발명은 터빈에 관한 것이다. 더욱 상세하게 본 발명은 유동의 급격한 변화를 억제할 수 있도록 된 터빈날개와 이를 이용한 터빈에 관한 것이다.

일반적으로 터빈은 작동유체의 운동에너지를 회전운동으로 바꾸어 동력을 얻는 장치이다. 상기 터빈은 작동유체의 종류에 따라 분류 구분된다. 수력터빈은 작동유체로 물을 사용하는 것이고, 증기터빈은 고온고압의 증기를 작동유체로 사용하며, 가스터빈은 고온고압의 가스를 작동유체로 사용한다.

상기 터빈에서 다양한 작동유체로부터 회전력을 얻을 수 있도록 에너지 변환을 하는 핵심부품은 터빈의 회전장치이다. 이 회전장치에는 터빈날개가 구비된다.

상기 터빈날개는 만곡된 구조로 양면은 볼록한 면과 오목한 면으로 이루어지고, 양 에지인 전단과 후단은 원형 또는 에지형태로 이루어진다.

통상 에지형태의 회전날개는 원형인 경우보다 높은 토오크를 얻을 수 있다. 그러나 전단에서 두께를 최소화하기에 어려운 점으로 인하여 원형의 익형을 사용하게 된다. 이러한 이유는 에지형 회전날개에서 전단의 두께를 크게 만들면 전단에서 유동이 직접적으로 전단면에 부딪히고, 부딪힌 이 유동은 측면으로 흐르게 되어 통 로로 들어가는 유동의 흐름을 방해하게 된다. 따라서 에지형태는 장점이 있음에도 불구하고 전단의 두께를 얇게할 수 없는 제작의 어려움이 있으므로 원형의 익형을 주로 사용하게 되는 것이다.

또한, 터빈날개는 볼록한 면이 흡입면이고 오목한 면은 압력면으로 작용한다. 터빈날개에서 발생되는 토오크는 상기 압력면과 흡입면에서 형성되는 압력의 차이에 의해 만들어진다. 또한, 보다 높은 힘을 얻기 위해서는 높은 모멘텀의 차이가 필요하다. 높은 모멘텀의 차이를 발생시키기 위해서는 앞전에서의 유동각과 뒷전에서의 유동각을 높여야 한다. 앞전과 뒷전에서의 유동각이 증가하면 할수록 높은 모멘텀의 차이가 발생되므로 터빈날개는 더욱 휘어진 형태가 된다.

터빈날개가 더욱 휘어져 형성되면 흡입면과 압력면에서의 속도차가 커지게 되므로 압력 차이는 더욱 커지게 되나, 실제 내부 유동에서는 토오크의 감소가 발생하게 된다.

이는 터빈날개가 많이 휘어지게 되면, 흡입면의 뒷부분까지 유동이 충분히 흐르지를 못하고 중간에서 유동의 박리가 발생되기 때문이다. 이에 흡입면에서 필요로 하는 압력강하가 발생되지 못하고 토오크의 감소가 발생되는 것이다.

내부유동에서의 유동박리에 대한 해결방안으로 기존의 연구된 기술로는 초음파(ultrasonic)나 스피커를 이용한 방법이 있다. 초음파 분사방식은 외부에서 박리가 발생되는 지점에 초음파를 쏘아 유동에 진동을 가하여 유동박리를 감소시키는 방식이다. 스피커를 이용한 음파방식은 고출력의 스피커를 사용하여 음파의 진동에 의하여 유동에 미소한 힘을 주어 유동의 박리를 저지하는 방법이다. 이러한 방식 외에 MEMS와 같은 미소형 전자기계장치를 박리가 예상되는 지점의 표면에 부착하여 약간의 진동을 형성하여 박리를 억제하는 연구가 진행되고 있다. 그러나 이러한 구조는 외부에서 가해지는 힘이 약하여 유동의 박리 조절에 어려움이 있고, 별도의 장치를 외부에 추가적으로 설치하여야 하는 문제가 있으며, 아울러 많은 제어장치 등을 부착하여야 하는 기술적인 문제가 있다.

이에 별도의 장치를 부가하지 않고 터빈날개에서 발생되는 유동의 박리를 억제하거나 제거할 수 있도록 된 터빈날개와 이를 이용한 터빈을 제공한다.

또한, 전단에서의 유동의 급격한 변화를 최소화할 수 있는 에지형태의 터빈날개와 이를 이용한 터빈을 제공한다.

이를 위해 본 터빈날개는 유체의 유입방향에 대해 전단에 형성되는 유입홀과, 측면에 형성되어 상기 유입홀과 연통되는 유출홀을 포함할 수 있다.

이에 터빈날개의 전단으로 진행된 유체는 유입홀을 통해 유출홀로 나가게 되므로 전단에 부딪힌 유체가 측면으로 흘러나가 다른 유체의 흐름을 방해하는 현상을 제거할 수 있게 된다.

여기서 상기 유출홀은 터빈날개의 볼록하게 형성된 흡입면에 형성된 구조일 수 있다. 또한, 상기 유출홀은 상기 흡입면의 유동 박리 위치에 형성된 구조일 수 있다. 따라서 유동의 박리를 방지할 수 있게 된다.

상기 유입홀은 터빈날개의 전단을 따라 간격을 두고 연속적으로 형성될 수 있다.

상기 유입홀과 상기 유출홀은 터빈날개의 내부 공간을 매개로 연통된 구조일 수 있다.

상기 유입홀과 상기 유출홀은 터빈날개의 내부에 형성되는 관로를 통해 연통된 구조일 수 있다. 상기 관로는 유입홀과 유출홀을 최단거리로 연결하는 직선형태일 수 있다. 또한, 상기 관로는 굽어진 구조일 수 있다.

상기 유출홀은 터빈날개의 측면에 대해 유체의 진행방향을 따라 경사져 형성될 수 있다.

상기 유출홀 또는 상기 유입홀은 원형 또는 타원형 또는 다각형 단면구조로 형성될 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 장치는 높은 출력을 얻을 수 있게 되어 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 입구유동각과 출구유동각을 증가하더라도 유동의 박리를 최소화할 수 있게 되어 터빈날개 내부 유동장을 개선할 수 있게 된다.

또한, 에지 형태의 터빈날개를 제조함에 있어서 전단 두께를 두껍게 할 수 있게 되어 터빈날개의 제조 단가를 낮출 수 있게 된다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속 하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 다른 실시예에서 대응하거나 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

이하 설명에서는 작동유체로 증기가 사용되는 증기터빈에 대해 설명한다. 그러나 이에 한정되지 않으며 작동유체로 물을 사용하는 수력터빈이나 가스를 사용하는 가스터빈 등 다양한 터빈에 모두 적용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 터빈날개가 구비된 증기터빈의 단면도이다.

상기한 도면에 의하면, 터빈(100)은 터빈디스크(110)와 터빈날개(120), 노즐(130), 축(140) 등이 유기적으로 결합된다. 상기 터빈날개(120)는 터빈디스크에 설치되어 같이 움직이는 1단동익(122)과 2단동익(126) 그리고 터빈에 고정되어 상기 두 개의 동익 사이에 배치되는 정익(124)을 포함한다.

이에 도 2에 도시된 바와 같이 작동유체인 증기는 흡입구(132)(도 1에 도시됨)로 들어와 노즐(130)을 통과하면서 고속화된다. 높은 속도의 증기는 1단동익(122)을 회전시키고 다시 정익(124)으로 들어가서 2단동익(126)을 회전시킬 수 있는 방향으로 변경되어 2단동익(126)을 회전시키게 된다. 동익의 회전력은 동익이 설치된 터빈디스크(110)를 통해 축(140)으로 전달된다. 이 축을 통해 얻어진 회전력은 다른 장치로 전달되어 동력원으로 이용된다.

여기서 상기 터빈날개(120)의 구조를 설명하면 다음과 같다. 이하 설명에서는 터빈날개(120)로 1단동익(122)을 예로서 설명하도록 한다. 물론 이하 설명하는 구조는 터빈날개(120)를 구성하는 정익(124)과 2단동익(126)에도 적용될 수 있다.

도 3과 도 4는 터빈날개(120)를 이루는 1단동익(122)의 구조를 예시하고 있다.

상기한 도면에 의하면 본 실시예의 1단동익(122)은 한쪽으로 만곡되어 휘어진 구조로 일면은 외측으로 볼록한 면을 이루고 반대쪽 면은 오목한 면을 이룬다. 이하 각각의 작용에 따라 상기 볼록한 면은 흡입면(150)으로, 오목한 면은 압력면(152)으로 칭한다. 그리고 증기가 진행하는 방향을 따라 전단(154)과 후단(156)은 일정 각도로 절곡된 에지형태를 이룬다. 이웃하는 1단동익(122)의 사이는 증기 가 지나가는 통로(190)를 이룬다.

상기한 구조에 있어서, 본 실시예의 1단동익(122)은 상기 전단(154)에 형성되어 증기가 유입되는 유입홀(170)과, 상기 흡입면(150)에 형성되어 상기 유입홀(170)과 연통되어 증기가 배출되는 유출홀(180)을 포함한다. 상기 유입홀(170)과 유출홀(180)은 드릴 등을 이용하여 1단동익(122)에 간단히 가공할 수 있다.

이에 터빈날개(120)의 전단(154)에 부딪힌 증기는 유입홀(170)을 통해 유출홀(180)로 나가게 된다. 따라서 에지형의 터빈날개(120)에 있어서 전단(154)의 두께를 두껍게 형성하더라도 유동의 흐름을 원활하게 유지할 수 있게 된다. 이러한 작용에 대해서는 뒤에서 다시 설명하도록 한다.

상기 유입홀(170)은 1단동익(122)의 전단(154)을 따라 소정 간격으로 연속적으로 형성된다. 상기 유입홀(170)의 형성 간격이나 크기는 터빈의 출력이나 터빈날개(120)의 설계 형태 등에 따라 변경가능하며 특별히 한정되지 않는다. 또한, 상기 유입홀(170)은 원형 단면형태로 이루어진다. 물론, 상기 유입홀(170)의 형태는 원형에 한정되지 않으며, 타원형 또는 다각형태 등 다양하게 형성될 수 있다.

본 실시예에서 상기 유출홀(180)은 유입홀(170)과 동일한 형태로 이루어지며, 유입홀(170)과 대응되도록 흡입면(150)을 따라 간격을 두고 연속적으로 형성된다. 상기 유입홀(170)과 유출홀(180)은 증기의 진행방향을 따라 기울어져 형성된다. 즉, 상기 유입홀(170)은 전단(154)면에 대해 증기의 진행방향과 대응되는 방향으로 경사져 형성된다. 상기 유출홀(180)은 흡입면(150)에 대해 증기의 진행방향쪽으로 경사져 형성된다. 이에 증기의 유입과 유출이 보다 원활하게 이루어지게 된 다.

도 4에 도시된 바와 같이 상기 1단동익(122)은 내부가 빈 구조이다. 이에 상기 유입홀(170)과 유출홀(180)은 1단동익(122)의 빈 내부 공간을 통해 서로 연통된다. 따라서 증기는 유입홀(170)을 통해 1단동익(122)의 내부로 유입된 후 별도의 유로를 거치지 않고 흡입면(150)에 형성된 유출홀(180)을 통해 나가게 된다.

여기서 상기 유출홀(180)은 흡입면(150)에 있어서 유동의 박리가 발생되는 위치에 형성된다. 이에 유출홀(180)을 통해 배출되는 증기는 흡입면(150)의 박리 영역에 분사되어져 유체의 유동에 부가적인 모멘텀을 가하게 되므로 유동의 박리를 방지할 수 있게 된다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 터빈날개를 도시하고 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 1단동익(122)은 한쪽으로 만곡되어 휘어져 흡입면(150)과 압력면(152)을 이루고, 전단(154)과 후단(156)은 에지형태로 되어 있다. 여기서 상기 전단(154)에는 유입홀(170)이 형성되고, 상기 흡입면(150)에는 유출홀(180)이 형성되며, 상기 유입홀(170)과 유출홀(180)은 증기가 지나가는 관로(200)로 연결된 구조로 되어 있다. 여기서 본 실시예의 1단동익(122)은 상기 관로(200) 이외에 다른 구조는 제1 실시예의 1단동익(122)과 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.

상기 관로(200)는 유입홀(170) 및 유출홀(180)과 대응되는 직경으로 형성된다. 또한, 상기 관로(200)는 유입홀(170)에서 유출홀(180)을 최단거리로 연결하는 직선형태로 이루어진다.

상기 관로(200)는 증기가 지나가는 유로 역할을 하게 된다. 이에 본 실시예에서 증기는 유입홀(170)을 통해 유입되어 바로 관로(200)를 따라 유출홀(180)로 나가게 된다.

도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 터빈날개(120)를 도시하고 있다.

도시된 바와 같이, 본 실시예의 1단동익(122)은 한쪽으로 만곡되어 휘어져 흡입면(150)과 압력면(152)을 이루고, 전단(154)과 후단(156)은 에지형태로 되어 있다. 여기서 상기 전단(154)에는 유입홀(170)이 형성되고, 상기 흡입면(150)에는 유출홀(180)이 형성되며, 상기 유입홀(170)과 유출홀(180)은 증기가 지나가는 관로(300)로 연결된 구조로 되어 있다. 그리고 상기 관로(300)는 흡입면(150)과 대응되는 형태로 휘어져 형성된다. 여기서 본 실시예의 1단동익(122)은 상기 관로(300) 이외에 다른 구조는 제1 실시예의 1단동익(122)과 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.

상기 관로(300)는 유입홀(170) 및 유출홀(180)과 대응되는 직경으로 형성된다.

상기 관로(300)는 증기가 지나가는 유로 역할을 하게 된다. 이에 본 실시예에서 증기는 유입홀(170)을 통해 유입되어 바로 관로(300)를 따라 유출홀(180)로 나가게 된다. 여기서 본 실시예의 관로(300)는 흡입면(150)과 같이 만곡된 구조로 증기는 1단동익(122)의 흡입면(150)을 지나는 유동의 흐름과 유사한 흐름으로 관로(300)를 따라 흘러나갈 수 있게 된다.

이에 증기가 최종적으로 유출홀(180)을 통해 흡입면(150)으로 분사되었을 때, 흡입면(150)에서의 유동의 흐름을 유지하여 유동의 박리를 더욱 방지할 수 있게 된다.

여기서 본 실시예와 같이 상기 관로(300)가 만곡된 구조는 유동의 박리가 흡입면의 후단쪽에 근접한 위치에서 형성되는 경우에도 유용하게 적용할 수 있다. 유동의 박리가 흡입면의 후단쪽에서 형성되는 경우에는 관로가 압력면의 내측면에 걸려 유입홀과 유출홀을 직선으로 연결하지 못한다. 이에 상기와 같이 만곡된 관로(300)는 유출홀의 위치에 관계없이 유입홀과 유출홀을 관로로 연결시킬 수 있게 된다.

이하, 본 터빈날개의 작용에 대해 도 7과 도 8을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

본 실험은 본 발명의 제2실시예에 따른 터빈날개를 가지고 실시하였다.

1단동익(122)의 전단(154)으로 유입된 증기는 전단(154)에 형성된 유입홀(170)을 통해 관로로 유입되어 유출홀(180)을 통해 흡입면(150)으로 분사된다.

이에 에지형 터빈날개(120)의 전단(154) 두께를 증가하였을 때 전단(154)에서의 유동이 급격히 측면으로 빠져나가 통로(190)로 들어가는 유동과 급격하게 혼합하여 유동을 불균일하게 만드는 문제가 해소된다.

도 7은 1단동익(122)의 유체 흐름을 비교 도시한 유선도이고, 도 8은 이들의 속도장을 비교 도시하고 있다.

도시된 바와 같이 비교예의 경우 전단으로 유입된 증기는 직접적으로 전단면에 부딪히고, 부딪힌 이 증기 유동은 측면으로 흐르게 되어 통로로 들어가는 유동 의 흐름을 방해함을 알 수 있다.

그러나, 본 실시예에서는 전단(154)면으로 진행된 증기가 전단(154)면에 있는 유입홀(170)을 통하여 흐르게 되므로 이 증기의 유동이 측면으로 급격히 휘어지게되는 것을 방지할 수 있게 된다. 따라서 1단동익(122)의 통로(190)로 가는 증기의 유동은 원래의 모멘텀을 유지할 수 있는 것이다.

여기서 1단동익(122)의 전단(154)면에 형성된 유동은 유동 속도가 줄어들면서 전압력이 매우 높은 유동이다. 따라서 유입홀(170)의 직경이 매우 작더라도 별 어려움없이 유입홀(170)을 지날 수 있다.

상기와 같이 유입홀(170)을 통해 관로(200)로 유입된 증기는 유출홀(180)을 통해 흡입면(150)으로 분사되어진다. 이에 높은 모멘텀을 가진 유동이 흡입면(150)의 박리영역에 분사되어져 낮은 속도의 유동에 부가적으로 모멘틈을 가하게 된다. 따라서 흡입면(150)에서의 유동의 박리가 형성되지 않게 되는 것이다.

도시된 바와 같이 본 실시예의 경우 유입홀(170)과 유출홀(180)에 의해 유동장이 개선되어 모든 유동이 1단동익(122) 사이에 형성되어 있는 통로(190)의 형태를 따라 흐르고 있음을 확인할 수 있다.

이와같이 흡입면(150)의 형상을 따라서 유동이 흐를 수 있도록 하여, 흡입면(150)에서 높은 속도를 유지하게 하므로 전체적으로 흡입면(150)에서 낮은 압력이 형성되도록 한다. 따라서 동일한 압력을 받는 터빈이라도 압력면(152)과 흡입면(150)에서 높은 압력차가 유지되므로 높은 토오크가 얻어지게 된다.

한편, 실제 터빈에서의 유동은 3차원의 유동이므로 터빈날개(120)의 허브측 (도 3의 104 참조)과 쉬라우드측(도 3의 105 참조)에서는 벽면에 의한 유동의 경계층으로 인한 속도의 저하나 와류 등이 나타난다.

이에 터빈날개(120)에 형성된 유입홀(170)과 유출홀(180) 중에 허브측과 쉬라우드측 근처에 형성된 유입홀(170)과 유출홀(180)은 이러한 낮은 속도의 경계층과 와류에 의한 유동의 불균일을 해소하는 역할도 수행하게 된다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 터빈날개가 구비된 증기터빈을 도시한 개략적인 단면도이다.

도 2는 도 1의 터빈에서 터빈날개의 구성을 도시한 상세도이다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 터빈날개를 도시한 사시도이다.

도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 터빈날개의 단면도이다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 터빈날개의 단면도이다.

도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 터빈날개의 단면도이다.

도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 터빈날개와 종래기술에 따른 터빈날개의 유체 흐름을 비교 도시한 유선도를 도시한 도면이다.

도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 터빈날개와 종래기술에 따른 터빈날개의 유로에서 발생되는 박리를 나타내는 속도장을 비교하여 도시한 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100: 터빈 120: 터빈날개

122: 1단동익 124: 정익

126: 2단동익 130: 노즐

150: 흡입면 152: 압력면

154: 전단 156: 후단

170: 유입홀 180: 유출홀

190: 통로 200,300: 관로

Claims (11)

1. 유체의 유입방향에 대해 전단이 평면을 이루고,

   상기 전단의 평면에 간격을 두고 연속적으로 형성되는 유입홀과, 측면에 형성되어 상기 유입홀과 연통되는 유출홀을 포함하고,

   상기 유출홀은 볼록하게 형성된 흡입면에 형성된 터빈날개.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 유입홀 또는 상기 유출홀은 경사져 형성된 터빈날개.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 유출홀 또는 상기 유입홀은 원형 또는 타원형 또는 다각형 단면구조인 터빈날개.
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 유출홀은 상기 흡입면의 유동 박리 위치에 형성된 터빈날개.
6. 삭제
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 유입홀과 상기 유출홀은 터빈날개의 내부 공간을 매개로 연통된 구조의 터빈날개.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 유입홀과 상기 유출홀은 터빈날개의 내부에 형성되는 관로를 통해 연통된 구조의 터빈날개.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 관로는 유입홀과 유출홀을 최단거리로 연결하는 직선형태인 터빈날개.
10. 제 8 항에 있어서,

    상기 관로는 굽어진 구조의 터빈날개.
11. 제 1 항 내지 제 3 항 또는 제 5 항 또는 제 7 항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 따른 터빈날개를 구비한 터빈.

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